Was in den Zellen geschieht

Die biologischen Vorgänge, die zum körperlichen Altern führen, sind sehr komplex und wissenschaftlich auch heute nur teilweise verstanden. Es gibt Hunderte von Theorien, wie und warum es zum Altern kommt. Viele Wissenschaftler beschreiben einzelne Aspekte des Alterns, die erst in Kombination ein verständliches Mosaik ergeben.

Klassischerweise gehen Wissenschaftler, wenn sie biologische Alterungsprozesse betrachten, von der Zelle als kleinster lebender Einheit eines Organismus aus. Der Körper eines erwachsenen Menschen besteht aus 100 Billionen Zellen. Aneinandergereiht ergäbe das eine Länge von 2,5 Kilometern! Unsere Zellen vermögen geordnet miteinander zu agieren und zu kommunizieren; als Ganzes sichern sie die Integrität, Funktionsfähigkeit, Anpassungsfähigkeit und die Gesundheit des Lebewesens. Auf welche Weise diese unglaubliche Komplexität sich organisiert und reguliert, gehört auch heute noch zu den großen Rätseln des Lebens. Gesundheit besteht darin, das dynamische Gleichgewicht (Homöostase) zwischen den verschiedensten Faktoren und Bestandteilen aufrechtzuerhalten; dadurch wird ein gesundes Leben ermöglicht.

Altern wird auf biologischer Ebene als ein allmählicher Funktionsverlust verstanden, der Moleküle, Zellen, Zellverbände, Organe und schließlich den Gesamtorganismus erfasst; er führt zu einem zunehmenden Ungleichgewicht, dann zu Krankheit und schließlich zum Tod.

Die wissenschaftlichen Erkenntnisse, die zum biologischen Verständnis des Alterns geführt haben, stammen aus unglaublich vielen kleinschrittigen Experimenten und Studien; sie wurden zum größeren Teil an Hefezellen, Würmern, Mäusen und anderen kurzlebigen Organismen und Lebewesen im Labor durchgeführt.

Hierin liegt zugleich auch eine der Schwächen der Altersforschung, wenn man auf das Altern beim Menschen schaut: Die Erkenntnisse aus Zellen sowie kurzlebigen Organismen und Kleinlebewesen lassen sich nicht ohne Weiteres auf langlebige Säugetierspezies wie z. B. Affen oder auch den Menschen übertragen. Bei langlebigen Spezies ist es viel schwieriger, Altersprozesse zu beobachten und experimentelle Forschung durchzuführen, einfach weil die Alterung über einen viel längeren Zeitraum stattfindet. Die Erkenntnisse über das Altern haben aber mit der modernen Molekularbiologie in einem atemberaubenden Maß in den vergangenen Dekaden zugenommen, sodass heute viele Mechanismen und Vorgänge viel besser verstanden sind.

Ein für die Altersforschung sehr wichtiger und einflussreicher wissenschaftlicher Übersichtsartikel aus dem Jahr 2013 (López-Otin et al. 2013) fasst die heute etablierten und bekannten Prozesse, die zum Altern führen, in neun grundlegenden Merkmalen zusammen:

»Instabilität des Genoms

»Telomerverschleiß

»Epigenetische Veränderungen

»Verlust der Protein-Homöostase

»Deregulierte Wahrnehmung von Nährstoffen

»Mitochondriale Dysfunktion

»Zelluläre Seneszenz

»Erschöpfung von Stammzellen

»Veränderte Kommunikation zwischen Zellen

1. Instabilität des Genoms

Die Gesundheit unseres Organismus ist davon abhängig, dass sich die Zellen des Körpers in vielen Bereichen fortlaufend erneuern, wie z. B. Haut-, Schleimhaut- oder Blutzellen. Die Anpassung der Zellen an bestimmte Umweltfaktoren wie beispielsweise UV-Strahlung, die Auseinandersetzung mit Viren, Bakterien und Pilzen, die Gewinnung von Nährstoffen, der Stoffwechsel, die Atmung mit dem Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid und der Energiestoffwechsel führen ständig auch zu Beanspruchungen und Schäden, die umgehende Reparaturen innerhalb der Zellen, aber auch den kompletten Ersatz von geschädigten Zellen erfordern.

Die Reparatur und der Zellersatz sind normale Prozesse; solange sie funktionieren, bleiben unsere Gesundheit und Funktionsfähigkeit erhalten. Ein wichtiger Reparatur- und Erneuerungsmechanismus ist die Zellteilung: Dabei entstehen aus einer Mutterzelle zwei genetisch identische Tochterzellen. Dazu muss das genetische Material der Zelle, die DNA (Desoxyribonukleinsäure) im Zellkern, die in komplexen Paketen in Form von Chromosomen gefaltet und verpackt ist, zuerst verdoppelt werden; anschließend teilt sich die Zelle dann in zwei genetisch identische Zellen auf. Dabei kann es zu Fehlern und Schäden an der DNA kommen, z. B. wenn Abschnitte fehlen, falsch ergänzt oder fehlerhaft kopiert werden (López-Otin et al. 2013, Behl und Ziegler 2016). Normalerweise werden diese Fehler bei der Zellteilung durch Reparaturmechanismen der Zellen vollständig beseitigt.

Auch durch äußere Faktoren, z. B. durch UV-Strahlung, Infektionen und andere Belastungen, kann es zu DNA-Schäden kommen. DNA-Schädigung betrifft nicht nur Zellkerne, sondern auch die »Kraftwerke« der Zellen, die Mitochondrien, in denen die Energie der Zelle gewonnen wird. Diese haben eine eigene DNA, die ebenfalls geschädigt werden kann und repariert werden muss.

Diese Alterstheorie besagt, dass sich im Laufe der Zeit DNA-Schäden häufen und die Reparaturmechanismen irgendwann ermüden, wodurch die Funktionsfähigkeit von Zellen und Organen vermindert wird. Irreparabel geschädigte Zellen sterben durch den »programmierten Zelltod« (Apoptose) und werden abgebaut und entfernt. Es kann aber auch sein, dass sich solche Zellen in Krebszellen verwandeln (und sich ständig teilen) oder in einen Zustand der »zellulären Seneszenz« übergehen, in dem sie defekt bestehen bleiben und sich nicht weiter teilen.

Das Genom wird also im Laufe des Alters »instabiler«, die davon abhängigen physiologischen Prozesse und auch Stoffwechselpfade können gestört werden, es kommt zu Funktionseinschränkungen, die sich in Altersveränderungen und schließlich Krankheiten äußern können. Die Anhäufung von DNA-Schäden im Lauf des Lebens führt so zu einer Verminderung intakter Zellen und dem alterstypischen Funktionsverlust.

Der Zusammenhang zwischen DNA-Schädigungen und Altern wurde bei Untersuchungen am Menschen entdeckt, als man nach den Ursachen von frühzeitigen Alterungs-Syndromen (Progerien), wie dem »Werner-Syndrom«, gesucht hat. Diese Erkrankung wurde erstmals 1904 vom deutschen Arzt C. W. Otto Werner (1879–1936) beschrieben. Sie ist vererbbar (autosomal rezessiv), und Betroffene entwickeln sich bis zur Pubertät ganz normal; dann setzt jedoch der typische Wachstumsschub nicht ein, die Betroffenen bleiben klein und altern schon früh, meist als junge Erwachsene. Ursache der Erkrankung sind über 70 Mutationen in der DNA. Diese führen zu vorzeitigem Ergrauen und Ausfallen der Haare und typischen Alterserkrankungen wie Grauem Star, Altersdiabetes, Verkalkungen der Achillessehne und Osteoporose (Lessel et al. 2012). Die Erforschung von frühzeitigen Alterungssyndromen war der Auslöser für diese Alterstheorie und für unzählige nachfolgende Untersuchungen an Tieren und Menschen, die heute den Zusammenhang zwischen DNA-Schäden und Alterungsprozessen belegen.

2. Telomerverschleiß

Als Telomere werden die Enden von Chromosomen bezeichnet, die aus aufgefalteter DNA bestehen und die Chromosomen stabilisieren: Wenn sich eine Zelle teilt, wird die DNA in Form von Chromosomen erst verdoppelt und dann auf zwei Zellen aufgeteilt, die somit identisches Erbgut besitzen. Die Telomere sind dabei besonders gestresst, sodass bei jeder Zellteilung ein kleiner Abschnitt der dortigen DNA nicht kopiert werden kann oder verloren geht. In Zellen, die sich beständig teilen, werden diese Verluste mithilfe eines besonderen Enzyms wieder repariert, sodass im Idealfall in beiden Tochterzellen wieder ein intaktes Genom vorliegt. Dieses Enzym, die sogenannte Telomerase, besteht aus einer Kombination aus Proteinen und RNA. Forschungsergebnisse haben gezeigt, dass die Lebensdauer eines Organismus mit der Aktivität seiner Telomerase einhergeht (Behl und Ziegler 2016).

Langlebige Organismen sind in der Lage, durch die Reparaturarbeiten der Telomerase das Genom über viele Zellteilungen hin stabil zu halten. Überschreitet der Verlust an DNA in den Telomeren jedoch eine kritische Menge, geht die Zelle entweder in einen Ruhezustand (Seneszenz) über, oder sie stirbt und wird vom Organismus abgebaut.

Die Länge der Telomere in weißen Blutkörperchen (Leukozyten) wird heute als ein Marker für das biologische Altern und das Sterblichkeitsrisiko angesehen (Boonekamp et al. 2013). So wurde in Studien beobachtet, dass bei Menschen mit gesundem Lebensstil (vernünftige Ernährung, ausreichend Sport und Bewegung) die Länge der Telomere deutlich höher ist (Kameda et al. 2021).

Ein großer Teil der Daten, die man für Antiaging-Maßnahmen wie Sport und Ernährung herangezogen...